En los procesos de deposición láser directa, la fusión y solidificación rápida, combinada con la incorporación de polvos multicomponente, dan lugar a fenómenos complejos de transporte dentro del baño de fusión. El comportamianto térmico ejerce una influencia significativa en la microestructura solidificada y las propiedades del material. Se presenta un modelo numérico tridimensional para simular la transferencia de calor, el flujo de fluidos y la solidificación durante la deposición láser directa en aleaciones 316L. A partir de las distribuciones térmicas transitorias, se extraen características de solidificación como el gradiente de temperatura (G), la velocidad de crecimiento de solidificación (R) y la velocidad de enfriamiento (G·R), lo que permite predecir la morfología y escala de la microestructura.

Para capturar con precisión la dinámica del baño de fusión, se emplea el módulo de transferencia de calor de COMSOL acoplado con la interfaz de flujo laminar. La ecuación de momento incluye un término de flotabilidad que cosnidera la variación no lineal del coeficiente de expansión térmica con la temperatura. Un aspecto crítico es el modelado del efecto Marangoni, que genera patrones de flujo superficiales en el baño de fusión.

Definición del modelo de fuente térmica láser

La precisión de la simulación depende de la representación adecuada de la entrada de calor láser. Se utiliza una condición de flujo de calor no uniforme con una función personalizada para el perfil gaussiano. A continuación, se muestra un ejemplo de código para definir la fuente térmica:

function calcular_flujo_calor_laser(pos_x, pos_y, instante) {
    const potencia_laser = 1800; // Potencia en watts
    const radio_haz = 0.00018; // Radio del punto láser en metros
    const velocidad_escaneo = 0.006; // Velocidad de escaneo en m/s
    const centro_x = velocidad_escaneo * instante;
    const factor_intensidad = 0.75 * potencia_laser / (Math.PI * radio_haz**2);
    const exponente = -2.8 * ((pos_x - centro_x)**2 + pos_y**2) / radio_haz**2;
    return factor_intensidad * Math.exp(exponente);
}

El coeficiente en el exponente (aquí 2.8) influye en la distribución del flujo de calor. En la práctica, este valor puede requerir ajuste basado en mediciones experimentales, como datos de cámaras infrarrojas, para considerar efectos como la reflectividad de la superficie del material.

Análisis del flujo de fluidos y solidificación

Las propiedades del material, como la densidad y la viscosidad, se modelan como funciones de la temperatura para capturar el comportamiento real del metal fundido. Por ejemplo, el término de fuente en las ecuaciones de momento puede definirse como:

// Parámetros para el cálculo de propiedades variables
const densidad_ref = 7950; // Densidad de referencia en kg/m^3
const coef_expansion_termica = 1.25e-4; // Coeficiente de expansión térmica en 1/K
const viscosidad_base = 0.006; // Viscosidad a temperatura de referencia en Pa·s
const tasa_cambio_viscosidad = 0.008; // Tasa de cambio con la temperatura

En la posprocesamiento, se extraen los parámetros G y R a lo largo de la interfaz sólido-líquido. Un anfoque consiste en muestrear puntos a lo largo de la normal de la interfaz. Los datos obtenidos permiten predecir la transición de la microestructura. Por ejemplo, cuando la relación G/R supera un valor umbral específico, se observa un cambio de cristales columnares a equiaxiales. Este umbral puede variar según la composición del polvo, como se ha verificado con metalografía.

Para una visualización dinámica, los resultados de temperatura se pueden exportar en formatos como VTK y procesar con herramientas de visualización para observar la evolución del baño de fusión y las isotermas.